在實際工業和儀器儀表(I&I)應用中，RS-485接口鏈路需要在惡劣電磁環境下工作。雷擊
、靜jing電dian放fang電dian和he其qi他ta電dian磁ci現xian象xiang引yin起qi的de大da瞬shun變bian電dian壓ya可ke能neng損sun壞huai通tong信xin端duan口kou。為wei了le確que保bao這zhe些xie數shu據ju端duan口kou能neng夠gou在zai最zui終zhong安an裝zhuang環huan境jing中zhong正zheng常chang工gong作zuo，它ta們men必bi須xu符fu合he某mou些xie電dian磁ci兼jian容rong性xing(EMC)法規。

 

這些要求包括三個主要瞬變抗擾度標準：靜電放電
、電快速瞬變和電湧。

 

許多EMCwentibingbujiandanhuomingxian，yincibixuzaichanshengshejikaishishiyuyikaolv。ruguobazhexiewentiliudaoshejizhouqihouqiqujiejue，kenengdaozhigongchengyusuanhejihuachaoxian。

 

本文介紹各主要瞬變類型，並針對RS-485通信端口的三種不同成本/保護級別，提出並演示三種不同的EMC兼容解決方案。

 

ADI公司和Bourns, Inc.攜手合作，共同開發了業界首個EMC兼容RS-485接口設計工具，提供針對IEC 61000-4-2 ESD
、IEC 61000-4-4 EFT和IEC 61000-4-5電(dian)湧(yong)的(de)四(si)級(ji)保(bao)護(hu)
，從(cong)而(er)擴(kuo)展(zhan)麵(mian)向(xiang)係(xi)統(tong)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)組(zu)合(he)。它(ta)根(gen)據(ju)所(suo)需(xu)保(bao)護(hu)級(ji)別(bie)和(he)可(ke)用(yong)預(yu)算(suan)為(wei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)提(ti)供(gong)相(xiang)應(ying)的(de)設(she)計(ji)選(xuan)項(xiang)。借(jie)助(zhu)這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)工(gong)具(ju)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)在(zai)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)之(zhi)初(chu)考(kao)慮(lv)EMC問題，從而降低該問題導致的項目延誤風險。

 

 

工業與儀器儀表(I&I)應用常常需要在距離很遠的多個係統之間傳輸數據。RS-485電氣標準是I&I應用中使用最廣泛的物理層規範之一
，I&I應用包括：工業自動化、過程控製、電機控製和運動控製、遠程終端
、樓宇自動化（暖通空調HVAC等）、安保係統和再生能源等。

 

使RS-485成為I&I通信應用理想之選的一些關鍵特性如下：

 

●長距離鏈路——最長4000英尺

●可在一對絞線電纜上雙向通信

●差分傳輸可提高共模噪聲抗擾度
，減少噪聲輻射

●可將多個驅動器和接收器連接至同一總線

●寬共模範圍（–7 V至+12 V）允許驅動器與接收器之間存在地電位差異

●TIA/EIA-485-A允許數據速率達到數十Mbps

 

TIA/EIA-485-A描述RS-485接口的物理層
，通常與Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等更高層協議配合使用，能夠在相對較長的距離內實現穩定的數據傳輸。

 

但在實際應用中，雷擊、功率感應
、直接接觸、電源波動、感應開關和靜電放電可能產生較大瞬變電壓
，對RS-485收(shou)發(fa)器(qi)造(zao)成(cheng)損(sun)害(hai)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)確(que)保(bao)設(she)備(bei)不(bu)僅(jin)能(neng)在(zai)理(li)想(xiang)條(tiao)件(jian)下(xia)工(gong)作(zuo)，而(er)且(qie)能(neng)夠(gou)在(zai)實(shi)際(ji)可(ke)能(neng)遇(yu)到(dao)的(de)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing)下(xia)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。為(wei)了(le)確(que)保(bao)這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)能(neng)夠(gou)在(zai)電(dian)氣(qi)條(tiao)件(jian)惡(e)劣(lie)的(de)環(huan)境(jing)下(xia)工(gong)作(zuo)，各(ge)個(ge)政(zheng)府(fu)機(ji)構(gou)和(he)監(jian)管(guan)機(ji)構(gou)實(shi)施(shi)了(le)EMC法規。如果設計符合這些法規，可以讓最終用戶確信它們在惡劣環境下也能正常工作。

 

 

電磁環境由輻射和傳導兩種能量組成，因此EMC包括兩個方麵：發射和耐受性。EMC是指電氣係統在目標電磁環境下保持良好性能且不會向該環境引入大量電磁幹擾的能力。本文討論如何提高RS-485端口的EMC耐受性以防範三種主要EMC瞬變。

 

國際電工委員會(IEC)是致力於製定和發布所有電氣、電子和相關技術國際標準的全球領先組織。自1996年以來
，向歐盟出售或在歐盟範圍內出售的所有電子設備都必須達到IEC 61000-4-x規範定義的EMC級別。

 

IEC 61000規範定義了一組EMC抗擾度要求，適用於在住宅、商業和輕工業環境中使用的電氣和電子設備。這組規範包括以下三類高電壓瞬變
，電子設計人員必須確保數據通信線路不受它們損害：

 

●IEC 61000-4-2 靜電放電(ESD)

●IEC 61000-4-4 電快速瞬變(EFT)

●IEC 61000-4-5 電湧耐受性

 

所有這些規範都定義了測試方法，用以評估電子和電氣設備對指定現象的耐受性。下麵概要說明各種測試。

 

 

ESD是指靜電荷在不同電位的實體之間的突然傳輸
，由靠近接觸或電場感應引起。其特征是在短時間內產生高電流。IEC 61000-4-2測試的主要目的是確定係統在工作過程中對係統外部ESD事件的抗擾度。IEC 61000-4-2描(miao)述(shu)了(le)兩(liang)種(zhong)耦(ou)合(he)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)，即(ji)所(suo)謂(wei)接(jie)觸(chu)放(fang)電(dian)和(he)空(kong)氣(qi)放(fang)電(dian)。接(jie)觸(chu)放(fang)電(dian)要(yao)求(qiu)放(fang)電(dian)槍(qiang)與(yu)受(shou)測(ce)單(dan)元(yuan)直(zhi)接(jie)接(jie)觸(chu)。在(zai)空(kong)氣(qi)放(fang)電(dian)測(ce)試(shi)期(qi)間(jian)，放(fang)電(dian)槍(qiang)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)極(ji)朝(chao)向(xiang)受(shou)測(ce)單(dan)元(yuan)移(yi)動(dong)，直(zhi)到(dao)氣(qi)隙(xi)上(shang)發(fa)生(sheng)電(dian)弧(hu)放(fang)電(dian)。放(fang)電(dian)槍(qiang)不(bu)與(yu)受(shou)測(ce)單(dan)元(yuan)直(zhi)接(jie)接(jie)觸(chu)。空(kong)氣(qi)放(fang)電(dian)測(ce)試(shi)的(de)結(jie)果(guo)和(he)可(ke)重(zhong)複(fu)性(xing)會(hui)受(shou)到(dao)多(duo)種(zhong)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang)
，包(bao)括(kuo)濕(shi)度(du)、溫度
、氣壓
、距離和放電槍逼近受測單元的速率。這種方法能夠更好地反映實際ESD事件
，但可重複性較差。因此
，接觸放電是首選測試方法。

 

測試期間，數據端口須經受至少10次正極放電和10次負極放電，脈衝之間間隔1秒。測試電壓的選擇取決於係統端環境。規定的最高測試為4級，要求接觸放電電壓為±8 kV，空氣放電電壓為±15 kV。

 

圖1顯示了規範所述的8 kV接觸放電電流波形。一些關鍵波形參數包括小於1 ns的上升時間和大約60 ns的脈衝寬度。這說明脈衝總能量約為數十mJ。

 

 

圖1：IEC 61000-4-2 ESD波形(8 kV)

 

 

diankuaisushunbianceshiyaoqiujiangshugejiduankuaisudeshunbianmaichongouhedaoxinhaoxianshang
，yidaibiaorongxingouhedaotongxinduankoudewaibukaiguandianludeshuntaiganrao
，zhezhongganraokenengbaokuojidianqihekaiguanchudiandoudong，yijiqiehuanganxinghuorongxingfuzaiyinqideshunbian，suoyouzhexiezaigongyehuanjingzhongfeichangchangjian。EC 61000-4-4中定義的EFT測試嚐試模擬因為這些類型的事件產生的幹擾。

 

圖2顯示EFT 50 Ω負載波形。EFT波形用具有50 Ω輸出阻抗的發生器在50 Ω阻抗上產生的電壓來描述。輸出波形由15 ms的2.5 kHz至5 kHz突發高壓瞬變脈衝組成，以300 ms間隔重複。每個脈衝具有5 ns的上升時間和50 ns的持續時間，在波形的上升和下降沿的50%點之間測量。單個EFT脈衝的總能量與ESD脈衝相似。單個脈衝的總能量典型值為4 mJ。施加於數據端口的電壓可以高達2 kV。

 

 

圖2：IEC 61000-4-4 EFT 50 Ω負載波形

 

這些快速突發瞬變通過電容耦合鉗耦合到通信線路。EFT通過耦合鉗容性耦合到通信線路
，而不是直接接觸。這同樣降低了EFT發生器的低輸出阻抗所引起的負載。耦合鉗和電纜之間的耦合電容取決於電纜直徑、屏蔽和絕緣。

 

 

電湧瞬變由開關或雷電瞬變產生的過壓引起。開關瞬變的原因可以是電源係統切換
、電源分配係統的負載變化或短路等各種係統故障。雷電瞬變的原因可以是附近的雷擊將高電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了用於評估對這些破壞性電湧的抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

 

波形定義為開路電壓和短路電流下波形發生器的輸出。標準描述了兩種波形。10/700 μs組合波形用於測試要連接到對稱通信線路的端口，例如電話交換線。1.2/50 μs組合波形發生器用於所有其他情形，特別是短距離信號連接。RS-485端口主要使用1.2/50 μs波形
，本部分將予以說明。波形發生器的有效輸出阻抗為2 Ω，因此電湧瞬變相關的電流非常高。

 

圖3顯示1.2/50 μs電湧瞬變波形。ESD和EFT具有相似的上升時間
、脈衝寬度和能量水平，但電湧脈衝的上升時間為1.25 μs，脈衝寬度為50 μs。此外，電湧脈衝能量可以達到90 J，比ESD或EFT脈衝的能量高出三到四個數量級。因此
，電湧瞬變被認為是最嚴重的EMC瞬變。ESD與EFT相xiang似si


，因yin此ci電dian路lu保bao護hu的de設she計ji可ke以yi相xiang似si，但dan電dian湧yong則ze不bu然ran
，其qi能neng量liang非fei常chang高gao，因yin此ci必bi須xu以yi不bu同tong方fang式shi處chu理li。這zhe是shi開kai發fa保bao護hu措cuo施shi以yi改gai善shan數shu據ju端duan口kou對dui所suo有you三san種zhong瞬shun變bian的de抗kang擾rao度du，同tong時shi保bao持chi高gao性xing價jia比bi的de過guo程cheng中zhong會hui遇yu到dao的de主zhu要yao問wen題ti之zhi一yi。

 

電阻將電湧瞬變耦合到通信線路。圖4顯示半雙工RS-485器件的耦合網絡。並聯電阻總和為40 Ω。對於半雙工器件

，每個電阻為80 Ω。

 

電湧測試期間，將5個正脈衝和5個負脈衝施加於數據端口
，各脈衝間隔最長時間為1分鍾。標準要求，器件在測試期間設置為正常工作狀態。

 

 

圖3：IEC 61000-4-5電湧1.2/50 μs波形

 

 

圖4：半雙工RS-485器件的耦合/去耦網絡

 

 

將瞬變施加於受測係統時，測試結果按照通過/失敗標準分為四類。下麵是通過/失敗標準的列表，並舉例說明各標準與RS-485收發器的關係。

 

●正常工作
；施加瞬變期間或之後不會發生位錯誤。

●功能暫時喪失或性能暫時降低
，不需要操作員幹預；施加瞬變期間或之後的有限時間內可能發生位錯誤。

●功能暫時喪失或性能暫時降低，需要操作員幹預；可能發生閂鎖事件，但上電複位後可消除，對器件的功能和性能無永久影響。

●功能喪失，設備永久損壞；器件未通過測試。

 

標準A是最希望達到的

，標準D是不可接受的。永久損壞會導致係統停機和維修/更換成本。對於任務關鍵型係統，標準B和標準C也是不可接受的

，因為係統在瞬變事件期間必須能無錯誤運行。